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Le centrali nucleari contengono reattori che creano una fissione di reazione a catena controllata, processo che continua a suddividere i nuclei degli atomi uranici. Questo processo produce molta energia, radiazioni e calore molto elevato.
Le centrali nucleari utilizzano l'energia liberata dalla fissione e lo mettono in uso per guidare generatori che producono elettricità. Sebbene l'energia nucleare contribuisca solo il 20 per cento dell'elettricità generata negli Stati Uniti, la capacità nucleare della nazione è la più alta di qualsiasi altro paese - 101 gigawatt nel 2010.
Componenti comuni dell'energia nucleare
I reattori nucleari hanno in comune questi componenti:
Fuel - L'uranio, un minerale radioattivo, di metalli pesanti, è il combustibile più comune per i reattori nucleari . A seguito del processo di arricchimento, l'uranio diventa un combustibile molto concentrato.
Un reattore nucleare commerciale richiede migliaia di chili di combustibile di uranio arricchito per poter funzionare. Le centrali nucleari civili dell'U. acquistano annualmente circa 50 milioni di sterline di carburante di uranio (U3O8 equivalente), la maggior parte dei quali provenienti da oltreoceano.
L'uranio viene estratto in posizioni in tutto il mondo, principalmente in Kazakistan, Canada, Australia e Africa. Gli Stati Uniti sono tra i dieci produttori di uranio.
Comandi - Realizzati in un materiale ad assorbimento di neutroni come cadmio, hafnium o boro, le barre di controllo vengono inserite o ritirate dal nucleo per controllare la velocità di reazione o per fermarlo se necessario.
Moderatore - Materiale nel nucleo del reattore che rallenta i neutroni rilasciati dalla fissione in modo da provocare una maggiore fissione.
Il moderatore è di solito acqua ordinaria (leggera), ma può essere acqua pesante (D20) o grafite.
Refrigerante - Liquido o gas che circolano attraverso il nucleo per trasferire il calore da esso. Nei reattori ad acqua leggera, il moderatore dell'acqua funziona anche come liquido di raffreddamento primario.
Containment - I reattori nucleari sono racchiusi in strutture in calcestruzzo fortemente armato per impedire la fuga di radioattività nell'atmosfera.
Processo di base dell'energia nucleare
La fisica nucleare è molto tecnica, ma il processo di base per la produzione di elettricità con energia nucleare è il seguente:
Il nucleo del reattore produce calore e radioattività in un processo chiamato fissione, comunemente noto come atomo-splitting. All'interno del nucleo del reattore è il carburante nucleare dell'uranio. Come i nuclei dell'uranio diviso, rilasciano neutroni. Quando i neutroni hanno colpito altri atomi di uranio, anche questi nuclei si dividono, rilasciando i loro neutroni per colpire altri atomi, causando una maggiore fissione. Questa suddivisione atomica continua è una reazione a catena.
Il calore proveniente dalle reazioni controllate di fissione viene utilizzato per produrre vapore dall'acqua, direttamente come nel reattore di acqua bollente (BWR) o indirettamente come nel reattore di acqua pressurizzata (PWR), che contiene un generatore di vapore.
Il vapore alimenta una turbina che alimenta un generatore.
Il generatore produce energia elettrica distribuita alla rete elettrica.
Tipi di reattore nucleare
In tutto il mondo vengono utilizzati diversi tipi di reattori nucleari. Tuttavia, i tipi più comuni sono reattori ad acqua pressurizzata (PWR) e reattori ad acqua bollente (BWR), classificati come reattori ad acqua leggera. Negli Stati Uniti, PWR e BWR sono gli unici due tipi di centrali nucleari commerciali in esercizio.
- Reattore di acqua bollente (BWR) - In questo tipo di reattore, la fissione produce calore che bolle l'acqua nel nucleo del reattore. Il vapore dell'acqua bollente alimenta una turbina che alimenta un generatore per produrre elettricità. I reattori nel settore nordorientale del Fukushima Naiishi del Giappone danneggiati nel terremoto e nello tsunami del marzo 2011 sono BWRs.
- Reattore ad acqua pressurizzata (PWR) - Questo tipo di reattore è il più comune per la produzione di energia. Usa acqua come liquido refrigerante e moderatore, un agente che aiuta a controllare la velocità della fissione. Nel sistema di raffreddamento primario chiuso l'acqua, riscaldata dall'energia termica proveniente dalla fissione passando per il nucleo, viene mantenuta ad alta pressione e quindi non bolle. Il vapore viene prodotto in un ciclo di raffreddamento secondario e viene utilizzato per alimentare una turbina che alimenta un generatore elettrico.
- CANDU e reattori moderati con acqua pesante - Questi disegni usano l'acqua pesante come moderatore. L'acqua pesante - con il deutero che sostituisce i due atomi di idrogeno - come moderatore rallenta i neutroni nel processo di fissione e consente l'uso di uranio naturale, piuttosto che l'uranio arricchito come combustibile.
- Reattore modulare a base di ghiaia - Un reattore ad alta temperatura che utilizza il liquido di raffreddamento e il combustibile dell'elio, racchiuso in sfere di grafite e carburo di silicio per garantire il contenimento dei fissi e la resistenza alla fusione.
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